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Hydropneumatische Stoßdämpfvorrichtung, insbesondere
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für die Stoßdämpfer von Kraftfahrzeugen Die Erfindung betrifft eine
hydropneumatische Stoßdämpfvorrichtung, insbesondere für Stoßdämpfer von Kraftfahrzeugen,
mit einem Paar teleskop-artig verbundener Rohre, die von Endkappen an den sich gegenüberliegenden
Enden der Vorrichtung abgedichtet verschlossen sind, mit einem in dem inneren Rohr
dichtend verschiebbar angeordneten Trenn-Kolben, welcher die Vorrichtung im Inneren
in eine Gaskammer zwischen dem Kolben und der Endkappe des inneren Rohres und in
eine Ölkammer zwischen dem Kolben und der Kappe des äußeren Rohres unterteilt und
wobei die ölkammer wiederum von einem Ventilteil unterteilt ist, welches an dem
Ende des inneren Rohres befestigt ist, das sich innerhalb des äußeren Rohres befindet
Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art hat das Ventil teil eine mittige Öffnung,
durch die sich ein axialer Bolzen erstreckt, welcher an der Kappe des äußeren Rohres
befestigt ist. Dieser Bolzen hat einen in Längsrichtung veränderbaren Querschnitt,
der zumeist von der Kappe zur Scheibe hin spitz zuläuft, um eine bestimmte Drosselung
der Öffnung im Ventilteil entsprechend der Position der beiden Rohre zueinander
herbeizuführen.
Wenn ein Stoß eintritt, fährt die Stoßdämpfvorrichtung zusammen und das Öl tritt
durch die Öffnung in der Scheibe in Richtung zum Kolben hin.
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Das Drosseln der Öffnung dient dem Dämpfen der Zusammenfahr-Bewegung
des Stoßdämpfers, wodurch die Kraft des Stoßes weitgehend absorbiert wird.
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Stoßdämpfvorrichtungen dieser Art haben eine Bremskurve entsprechend
der größten Stoßkraft, die aufgenommen werden muß, in welcher die Reaktionskraft
im Verhältnis zum Zusammenfahrhub während des Hubweges annähernd konstant ist. Mit
der Verringerung der Geschwindigkeit des Stoßes und mit dem genannten konstanten
Wert nimmt der Wert der Reaktionskraft ab, während der Hub dazu neigt, annähernd
gleich zu bleiben. Vorrichtungen dieser Art sind in der Lage, Stöße sehr wirkungsvoll
zu absorbieren, sie haben jedoch den Nachteil, einen Teil der von dem durch den
Stoß zusammengepreßten Gas aufgenommenen Energie wieder abzugeben. Dies führt zu
einem unerwünschten "Stoß".
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In solchen Fällen wäre eine Stoßdämpfvorrichtung vorteilhaft, welche
unter Beibehaltung des annähernd konstanten Verlaufs der Reaktionskraft während
des Einwärtshubes, während des Ausfahrhubes geeignet wäre, die im Gas angestaute
Restkraft wirkungsvoll zu absorbieren und dadurch den "Stoß" zu beseitigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydropneumatische Stoßdämpfvorrichtung
der obengenannten Art zu schaffen, die diese Erfordernisse im wesentlichen erfüllt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ventilteil
aus einer starren Scheibe mit ringförmig angeordneten Bohrungen besteht und auf
ihrer Fläche, welche dem Kolben gegenüberliegt, einen Verschluß hat, welcher mit
den Auslässen der Bohrungen an der Fläche zusammenwirkt und aus einem Paket elastischer
Scheiben besteht, welche an der Mitte der Scheibe befestigt sind, und daß das Ventilteil
mit Drosseldurchlässen versehen ist, die ständig offen sind, wobei der Durchlaßquerschnitt
wesentlich geringer ist als der Gesamtquerschnitt aller ringförmig angeordneten
Bohrungen.
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In der erfindungsgemäßen Stoßdämpfvorrichtung verformt während des
Einfahrhubes das Öl, welches dazu neigt, durch die Bohrungen in der Scheibe in Richtung
des Kolbens hindurchzutreten, elastisch das Paket von Scheiben des Verschlusses,
so daß das Öl in den Raum zwischen der Scheibe und dem Kolben eintreten und -mittels
des Kolbens - die Gasfeder zusammendrücken kann Aufgrund seiner Eigenschaft öffnet
der aus dem Scheibenpaket bestehende Verschluß bei einem im wesentlichen konstanten
Druck, unabhängig von den wirkenden Kräften. Das bedeutet, daß die wirkenden Kräfte
und insbesondere die auf das Fahrzeug ausgeübte Belastung bei gleichen Stoßgeschwindigkeiten
im wesentlichen konstant bleiben wird. Besonders wirkungsvoll ist es, daß bei gleichen
Stoßgeschwindigkeiten der Einfahrhub der Vorrichtung zunimmt, wenn die abzubauende
Energie zunimmt.
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Die genannten Drosseldurchlässe, welche von dem Verschluß nicht gesteuert
werden, dienen dazu, das Öl während des Ausfahrhubes der Stoßdämpfvorrichtung langsam
in den Raum zwischen der Scheibe und der Endkappe des äußeren Rohres zurückzubringen
unter völliger Absorption der Restenergie, welche in der Gasfeder angestau t ist.
Diese Drosseldurchlässe dienen außerdem dazu, den Durchtritt einer kleinen Menge
öl zum Kolben während des Beginns des Einwärtshubes zu ermöglichen, um unerwünschte
Druckspitzen zu verhindern oder zu mildern, welche auftreten könnten, bevor der
Verschluß öffnet.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Erfindung
anhand eines nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 2 eine perspektivische Explosionszeichnung
der Teile, welche das Ventilteil der Vorrichtung bilden; Fig. 3 eine Vorderansicht
der starren Scheibe, welche einen Teil der in Fig. 2 yezeigten Einheit bildet; und
Fig. 4 eine Bremskurve, die während eines Versuchs mit einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung
aufgezeichnet wurde, in welcher in der Abszisse der Längshub in Millimetern angegeben
ist
und die in der Ordinate die Reaktionskräfte in Deca-Newtons
angegeben sind, und in der drei Bremskurven bei verschiedenen Aufprallgeschwindigkeiten
aufgezeichnet sind.
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Bezugnehmend auf Fig. 1 besteht die dargestellte Vorrichtung aus einem
zylindrischen Rohr lo, welches an einer Seite von einer Kappe 12 verschlossen ist,
die Teil eines Trägers 14 ist, der an der Stoßstange eines Kraftfahrzeugs so befestigt
wird, daß die Achse des Rohres lo im wesentlichen horizontal verläuft.
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Das Rohr 10 bildet das innere Element einer teleskopischen Einheit,
deren äußeres Element aus einem zweiten zylindrischen Rohr 16 von geringfügig größerem
Durchmesser besteht. Das Rohr 16 ist mit einer Kappe 18 versehen, die an dem der
Kappe 12 gegenüberliegenden Ende der Vorrichtung angeordnet ist und einen mittigen
Gewindestift 20 zum Befestigen an der Karosserie oder dem Rahmen des Kraftfahrzeugs.
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Die Verbindung zwischen den beiden Rohren 10 und 16 wird durch Ringe
22,24 und 26 aus Plastik mit geringem Reibungskoeffizienten, wie z.B. Poliamid,
hergestellt.
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Zwischen den beiden Ringen 24 und 26 ist ein Dichtring 28 eingefügt,
welcher zwischen den beiden Rohren 10 und 16 sitzt, um ein Ausfließen von Öl zu
vermeiden, welches - wie weiter unten ersichtlich werden wird -in der Vorrichtung
enthalten ist.
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Ein weiterer Ring 28 i.st am inneren Rohr 10 angeordnet und wirkt
mit dem abgestumpften konischen Endteil des äußeren Rohres 16 zusammen, damit sich
die
beiden Rohre nicht voneinander entfernen, und bildet einen Begrenzer
für den Ausfahrhub der Vorrichtung.
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Auf dem Ende des inneren Rohres lo, das der Kappe 12 entgegengesetzt
ist, ist eine starre Scheibe 30 befestigt, welche den Ventilteil bildet. Die Scheibe
30, welche in den Figuren 2 und 3 besser zu sehen ist, weist ringförmig angeordnete
Bohrungen 32 auf, welche durch die Scheibe 30 durchgehen. Ein Verschluß 34, der
- wie weiter unten gezeigt werden wird - aus einem Paket von elastischen Scheiben
besteht, wirkt mit den Auslässen der Bohrungen 32 zusammen und ist zum Inneren des
inneren Rohres 10 hin gerichtet.
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Innerhalb des inneren Rohres lo ist gleitend ein topf förmig geformter
Kolben 36 aus Blech angeordnet.
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An diesen Kolben 36 ist ein Dichtring 37 angeordnet, welcher mit der
Innenfläche des Rohres 10 zusammenwirkt.
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Der Kolben 36 begrenzt innerhalb des Rohres 10 zwischen sich und der
Kappe 12 eine Kammer 38, die Gas, wie z.B. Nitrogen, unter Druck enthält.
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Auf seiner entgegengesetzten Seite begrenzt der Kolben 36 innerhalb
des Rohres 10 zwischen sich und der Scheibe 30 eine zweite Kammer 40. Sowohl diese
zweite Kammer 40 als auch eine dritte Kammer, die unter 42 gezeigt und innerhalb
des äußeren Rohres 16 zwischen der Scheibe 30 und der Endkappe 18 begrenzt ist,
ist mit Öl gefüllt. Zwischen den beiden Kammern 40 und 42 besteht - wie weiter unten
gezeigt -
eine kleine ständige Verbindung 32, durch welche das
in den Kammern 40 und 42 befindliche öl dem gleichen Druck ausgesetzt ist wie das
in der Kammer 38 enthaltene Gas.
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In der Mitte der Kappe 12 ist eine Kugel 44 zu sehen, welcher unter
Preßsitz in einer Öffnung 46 gehalten ist, durch welche das unter Druck stehende
Gas ursprünglich eingelassen worden war.
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Bezugnehmend auf die Figuren 1, 2 und 3, hat die starre Scheibe 30
im wesentlichen die Form einer sphärischen Kappe und hat im speziellen eine konkavesphärische
Fläche 48, die dem Kolben 36 gegenüberliegt. Das Scheibenpaket (Verschluß) 34 besteht
- von der Scheibe 30 zum Kolben 36 hin gesehen - aus drei elastischen, aufeinanderfolgenden
Scheiben 50, 52, 54 und einer starren Scheibe 56. Die elastischen Scheiben 50 und
52 haben einen annähernd gleichgroßen Durchmesser zum völligen Bedecken der Auslässe
der Bohrungen 32, wohingegen die dritte Scheibe 54 einen geringfügig kleineren Durchmesser
hat. Die vierte Scheibe 56 hat noch einen kleineren Durchmesser und dient nur dazu,
die Mitte des Pakets fest verklemmt zu halten. Dieses Klemmen wird von einer Niete
58 bewirkt, welche sich durch eine mittige Öffnung 60 in der Scheibe 30 erstreckt.
Der durch Nieten hergestellte Kopf wirkt mit der Scheibe 56 zusammen, wohingegen
der andere Kopf mit der konvexen Seite der Scheibe 30 zusammenwirkt unter Zwischenfügung
einer starren Scheibe 62, die mit der Scheibe 56 gleich ist.
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Aufgrund der Art und Weise, in der der Verschluß 34 von der Niete
58 festgehalten wird, nehmen mindestens die beiden ersten Scheiben 50 und 52 des
Pakets im Ruhezustand eine der konkaven Form der Fläche 48 entsprechende Form an.
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In der Fläche 48 befindet sich eine enge, flache, kreisförmige Nut
64, welche die Auslässe der Bohrungen 32 der Scheibe miteinander verbindet. Die
erste Scheibe 50, angeordnet an der Fläche 48, hat einen engen, radialen Einschnitt
66, welcher sich vom radial äußeren Rand der Scheibe So bis zur kreisförmigen Nut
64 erstreckt.
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Wenn die Vorrichtung einen Stoß in axialer Richtung erhält, wird sie
unter der Kraft dieses Stoßes zusammenyedrückt. Wenn die Kraft des Stoßes nicht
sehr groß ist oder bei Beginn des Ineinanderfahrens reicht der Druck, welcher in
dem in der Kammer 42 enthaltenen öl erzeugt wird, welches dazu neigt, sein Volumen
zu vermindern, nicht aus, um den Verschluß 34, der aus dem Paket elastischer Scheiben
besteht, zu öffnen. Es kann jedoch eine geringe Menge von Öl von der Kammer 42 in
die Kammer 40 durch den gedrosselten Durchlaß eintreten, welcher - an dem Auslaß
der Bohrungen 32 - aus der Nut 64 und dem Einschnitt 66 besteht.
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Wenn die Kraft des Stoßes genügend groß ist, erreicht der Druck in
der Kammer 42 und den Bohrungen 32 einen Wert - entsprechend der eingestellten Kraft,
welche
erforderlich ist, um die elastischen Scheiben zu verbiegen,
wobei der Verschluß öffnet und das öl in größeren Mengen von der Kammer 42 in die
Kammer 40 treten kann, den Kolben 36 zurückdrückt und dadurch die Gasfeder in der
Kammer 38 zusammenpreßt.
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Von diesem Punkt an setzt sich das Zusammenfahren der Vorrichtung
mit einem inneren Druck fort, welcher annähernd konstant ist, bis die Stoßkraft
vollständig abgebaut ist.
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Zur Unterstützung der Elastizität der Scheiben ist es vorteilhaft,
die Bohrungen 32 in der in Fig. 3 klar gezeigten Weise anzuordnen. Wie ersichtlich,
befindet sich eine Gruppe von zwei angrenzenden beieinanderliegenden Bohrungen 32
auf einer Seite der diametralen Ebene D der Scheibe 30 und eine andere Gruppe von
beieinanderliegenden Bohrungen 32 an der anderen Seite dieser diametralen Ebene.
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Diese beiden-Gruppen sind symmetrisch in-Bezug auf die Ebene D. Diese
Anordnung erleichtert ein "freies" Verbiegen in Bezug auf die Achse, welche auf
der diametralen Ebene D liegt.
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Wenn die Kraft des Stoßes weitgehend abgebaut ist und zu einem geringen
Teil in der Gasfeder gespeichert ist, dann dehnt sich diese aus und- zwingt das
öl langsam aus der Kammer 40 in die Kammer 43 zurück durch die Drosseldurchlässe
hindurch, welche aus dem Einschnitt 66 und der Nut 64 bestehen und durch die Bohrungen
32 . Wegen des in dem Einschnitt 66 und
in der Nut 64 befindlichen
Öls erfolgt der Einwärtshub langsam unter Abbau der in der Gas feder gespeicherten
Restkraft.
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Das Verhalten der Stoßdämpfvorrichtung während des Zusammenfahrens
kann - je nach den Erfordernissen -durch ein Variieren der Elastizität des Scheibenpakets
34 und/oder des Gasdruckes in der Kammer 38 eingestellt werden. Die Elastizität
des Scheibenpakets kann durch ein Verändern der Anzahl der elastischen Scheiben
und/oder ihrer Dicke eingestellt werden sowie auch durch das Material, aus dem sie
hergestellt sind.
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Der Abbau der Restenergie während des nächsten Einwärtshubes kann
durch Veränderung der Größe des Einschnittes 66 oder der Anzahl von Einschnitten
als auch durch Veränderung des Querschnitts der Nut 64 eingestellt werden.
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Bei praktischen Tests mit Stoßdämpfern gemäß Fig. 1 ergaben sich die
in Fig. 4 gezeigten Resultate.
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Die getestete Vorrichtung hatte die folgenden Eigenschaften: - Innendurchmesser
des Innenrohrs lo: 32 mm - Innendurchmesser des Außenrohrs 16: 40 nun - Gesamtvolumen
des Öls in den Kammern 40 und 42 und in den Bohrungen 32: etwa 85 cm3 Gasvolumen
in der Kammer 38 im Ruhezustand: 80 cm3 - Gasdruck im Ruhezustand: 15 atm
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maximaler Einwärtshub: 54 mm - Durchmesser der Bohrungen 32: 4.5 mm - durchschnittlicher
Durchmesser des Ringes von Bohrungen 32 und Nuten 64: 17.5 mm 2 - Querschnitt der
Nuten 64: etwa o.4 mm - Material der Scheiben 50, 52, 54: Federstahl - Dicke der
Scheiben 50, 52, 54: o.3 mm - Durchmesser der Scheiben 50 und 52: 24 mm - Durchmesser
der Scheibe 54: 19 mm - Länge des Einschnittes 66: 4 mm - Breite des Einschnittes
66: 2 mm In übereinstimmung mit dem relevanten Standard in den U.S.A. wurde der
Stoßdämpfer einer axialen Einwirkung durch einen Pendel unterzogen, dessen Schwungmasse
ein Gewicht von 440 Kilogramm hat. Drei Versuche wurden ausgeführt mit den drei
oben beschriebenen Schlaggeschwindigkeiten von 3 Meilen pro Stunde 1.32 Meter pro
Sekunde (Kurve A), 4 Meilen pro Stunde 1.79 Meter pro Sekunde (Kurve B) und 2.4
Meter pro Stunde 5.37 Meilen pro Stunde (Kurve C).
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Wie aus dem Diagramm (Figur 4) ersichtlich, hat der Energieverbrauch
unter den kritischsten Bedingungen -die in der Kurve C gezeigt sind, bei ausreichender
Dämpfung eine Höchstkraft von etwa 3000 Deca-Newtons 10 Millimeter nach dem Beginn
des Einwärtshubes, wonach der Abbau der Energie bis zum Ende des Hubes unter einer
im wesentlichen gleichmäßigen Reaktionskraft von etwa 2.500 Deca-Newtons erfolgt.
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In den Versuchen mit den beiden geringeren Geschwindigkeiten (Kurven
A und B) wurde ein progressiver Abfall der Reaktionskraft im Verlauf des Einwärtshubes
beobachtet.
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In den nachfolgenden Ausfahrhüben zeigte es sich, daß die Vorrichtung
keine Schläge entwickelte.
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Die Zeiten für die Rückkehr in die völlig auseinandergezogene Stellung
betrugen 1 bis 2 Sekunden, d.h.
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wesentlich länger als die Rückkehr zeiten üblicher Vorrichtungen mit
Bolzen, deren Rückkehrzeiten eine Sekunde kürzer sind, da in diesen Vorrichtungen
die in der Gas feder aufgenommene Energie weitgehend wieder abgegeben und nicht
abgebaut wird.